Временные неустойчивости в волновых процессах при взаимодействии лазерного излучения с нематическими жидкими кристаллами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РГб о 7 /МАР 1334

ЕРЕВАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 532.783 ДРНОЯН Ваг© Эдуардович

ВРЕМЕННЫЕ НЕУСТОЙЧИВОСТИ В ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССАХ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С НЕМАТИЧЕСКИМИ ЖИДКИМИ КРИСТАЛЛАМИ

Специальность: 0i.D4.2i - лазерная физика ,

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Ереван -1994

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Развитие физики в течение последних десятилетий привело к формулировке принципиальных проблем, связанных с сильно нелинейными процессами, таких как рождение стохастического, турбулентного поведения и возникновения детерминированных пространственных и временных структур в нелинейных диссипативных системах.

При использовании сред с большой константой нелинейности, ярким примерам которых являются жидкие кристаллы (ЖК>, отмеченные процессы стали доступны для реализации в нелинейной оптике в сравнительно слабых световых полях. . Поэтому одной из наиболее актуальных проблем в настоящее время является изучение поведения жидкокристаллической системы в области пространственно-временных неустойчивостей (в т.ч. фазовых переходов). Следует отметить два аспекта, определяющих перспективность данного направления: фундаментальный и : практический,

В первом случае речь идёт об исследовании нестационар^ ных и стохастических волновых процессов, возникающих при распространении света в среде с большой нелинейностью и существенной нелокальностью отклика. Во-первых, это способствует более глубокому пониманию традиционных для нелинейной эптики эффектов самовоздействия света, таких как самофокусировка, динамическая самодифракция и других. Во-вторых, позволяет осуществить (как теоретически, так и эксперименталь-*о> разнообразные и удобные модели для детального изучения >тмеченных выше процессов стохастизации и самоорганизации {©линейных диссипативных систем.

С- практической точки зрения наблюдение и теоретическая штерпретация широкого класса явлений, основанных на динами-:е волновых взаимодействий в ЖК. тесно связано с современны-ш приложениями квантовой электроники и нелинейной оптики. Достаточно отметить необходимость решения таких задач, как ■апись и считывание динамических голограмм, создание оптически бистабильных и муяьтистабильных элементов логических ■стройств <в перспективе - аналогов нейронных сетей) с низ-:им уровнем по мощности срабатывания и т. д.

востей в НЖК лазернымизлучением-стаусеовым профилем.

Практическая ценность. Полученные »диссертации зультаты имеют важное значение при исследовании индуиро-нных полем временных неустойчивосте& и фазовых переходов |©одиородно-анизотропиых средах с нелинейностью порогового, па. Они представляют большую денность при изучении различ-. (X. нелинейных волновых явлений с.оптически, бистабильными и . с>хастическш«и характеристиками ^ поле сравнительно, м,ало- , . , щных лазеров непрерывного ^действия; а также могут быть ио-льзованы как при разработке физических принципов работы

тических устройств широкого-класса;.;включая-систеМы-запи- . ......

, хранения, воспроизведения и обработки информации, с помо-

оптических методов» так и для пространственно-временного ©образования лазерного излучения.- - . ,„.. .

Защищаемые положения. ;

1. Волновое взаимодействие на основе прямой ориентион- . й нелинейности в неоднородных аяй&отропиых-средах с,рас- 1;.; ■©делённой обратной связью благодаря индуцированию в таких, стенах двух- и трёхмерных структур; показателя преломления «водит к периодическому и стохастическому по времени пове-■нию этих структур и, соответственно, дифрагированного на

¡х излучения: ' ;. • ■'..■,>•:■ ■..,; ;

2. Осуществление на основе вариационного принципа ана-. ¡тического й численного моделйрЬванйя волнового взаимо-¡йствия в анизотропной среде позволяет качественно объяс-

гть наблюдаемые в акеперш^енте динамические эффекты при половой переориентации в НЖК:'МулЬтйСТгабйльно.сть, осцилляции стохастичность: "г ':■'■"•;,'.'■ :-■

3. Ориентациойные структуры, возникающие в результате шамичёской 'Самодифракций световых волн в НЖК, после пре->ащения облучейиа последнего могут, быть сохранены при помо- -и процесса фотополимеризации композиции, включающей йолйме-¡зующуюся-смесь с исследуемым НЖК. гг.

4. Имеет место резкое снижение порОг.й; конвективной яе-•тойчивости при индуцировании лазерным. йзлучеЯйем гидроди-шических течений, в НЖК. благодаря формйроваяяю'в образце ^начального поперечного градиента температуры.

5. Светояядуцироваяное возбуждение периодических коя-

□неактивной неустойчивости в жидкокристаллических системах.

11 > по'свяЦёиа исследованию мультистабильностй и ременнойнеустойчивости при пороговом ориентационном заимрдействид лаЬ$р&6го'й&луче>яи# с "НЖК с учётом влияния вазистатического магнитногополй.'' '• •

В §2. 1 рпиа&на прстёновКз( задачи о цороговой перерриен-^ ации директорав;йол© н-агслояио йадающей р-врлны и'яро-едура вывода 'Зфавяюняй характеризующих угол пере^

риентадии как функцйй пространственной и временной хоорди-ат; При этом фиэйкзсопясьтаамадх пррстранственньгх и времен-ых нёустойчивостей интерпретируется как результат энерге-Вмеяа волн ортогрнадьйой ярлярйзадии в процессе их динами-еской самодифракции яа светоиндудйрованной решётке показа -еля преломления среды. , -

Для дальнейшата численнога анализа1 исходя .-иэ совмейт-ого решения ...уравнения /!агранжа для свободной энергии и волевого уравнения, в линейном приближении по-углу-переориен-адии директора выписано соответствующее ему трансцендентное лгебраическое уравнение. Определён характерный комплексный араметр системы, от соотношения вещественной и мнимой час-ей которого зависит её поведение в стационарном, нестациог-арном (в продессе незатухающих осцилляции) и переходном ре-:имах, а тахже пороги возбуждения этих режимов под действием нелших полей - светового и квазистатического магнитного.

Наглядно (в частности, графически) продемонстрирована вязь характерного масштаба продольных искажений бриеятаци-инок структуры -ИШК с реализацией того или иного .режима Ле-еериентации при изменении интенсивности (I) и угла падения х) света. Показано, что стационарному режиму-соответствуют лавные искажения ориентации,-в то время-как осцилляции мо-ут возникать при индуцировании резкйх,"(йёадиа6атическйх) скажеяий. Постепенное ■ увеличение' X (при фиксированном сО ли ос (при фиксированием1 >,в случае йреодоления критических начений этих параметров сопровождается скачкообразным меньшением масштаба светоинд уцированных. структур. Обсуждены акже механизмы обратной связи, приводящей к бистабильности развитию осцилляции.. ; , ,..•, .

В §2. 2 на основе анализа выписанных в §2.1 уравнений в

г

диабатичности вызываемых магнитным полем искажений.

С ух&нъщщрзн толщины ячейки обсуждаемая картина ветоиндуцировандых эффектов качественно не. изменяется.' При -том, однако, описанные зависимости порогов от угла, падения глаживаются: в пределе й -»б они Исчезают. Хотя абсолютные начения порогов переориентации возрастают, тем не мёнее их тносительные величины, уменьшаются .{за -исключением "области еяосредственно вблизи угла сг. >. Кроме того, увеличиваются

ак значение а . (н-алример.для Й^ЮО мкм имеем ся }, так

: период осцилляций- (при фиксированных ех и; I). • .

В §2 . 4 описан эксперимент по возбуждению.предсказанных ¡втоколебанйй в ячейке НЖК 5ЦЕ (<1-310 мкм). В присутствии татического магнитного пйля величиной порядка* порогового начеяия й С Щ/й > Й=620-Э X приложенного парал- ,г '

гельно электрическому вектору светового поля (йг -лазер, *„ ¡лина волны Х-0. 51 мкм), наблюдались осцилляции характерной аберрационной картины излучения. Прошедшего через ячейку ЗЖК 5ЦВ (толщиной *чЗ 10 мкм). Эти осцилляции возникали поро-овым образом при о&а' «у5 и 1>78 Вт/см ; с. увеличением I

для фиксированного ¡х)их-Среднийпериод уменьшался, а сами •сцилляцяи приобретали стохастический характер. *

§2. 5 содержит некоторые выводы и общее обсуждение фй-'ической картийы рассмотренных эффектов, а "гахжвг лерслек-■ивы дальнейшегоразвития йссДёдо&анйй. ;

# III Приведено сШб&як» результатов экспериментального и теорё^ическЬго ййелбдова'ния биетаби.йьности и динамики возбуждения гидродинамических- течений в НЖК одномо-ковын лазерным излучением с гауссовым профилем.

В §3 . 1;описайа схема' и методика эксперимента, приведены данные о спектральных характеристиках йсйользо&анных смесей ЗЖК с дихройчным поглощающим красителем (коэффициенты поглощения "см при •з'емпфа^уре С^ на длит волны л~ 0. мкм для А'г -лазера). Концентрация красителя »оставляла 0. 0142 (для насыщенного раствора - Ц, ¿%\

В §3. 2 приводятся результаты наблюдения нестационарных

ого рода процессов при оценке пороговых температурных гра-иенТов в- предположении механизма ~Рэлея-Р©нар-й. По/сравнению -«ослвдяям»'.'^ ггайкдо. , .

Ад конвенция начинйетд?я о флукТуаций,в нашей <сл,у%ае.еу-¡ественную роль играет заранее заданный поперечный градиент емперат>фы.-. .и;.,.,::.., .• ''..'--.'Л1'. ' ■■ ■::.■..-'••:.•;..■:=

С учётом ©того обстоятельства выписана- система урэвне-йй нематодйнамики.В результате решения этой системы получе-а аналитическая зависимость порогового градиента темпёрату-ы от параметра /2 а-Предсказана.немонотонность завйсимос-з порогового перепада тёмйературы АТ от параметра 6 в об-

асти 6^1. Исходя из развитой теории получены значения

10 гра д.,: что, рЬг^асуется с 'эксперимента льйыми да'нн&ми.

В §3. 5 проведено- обсуждение фйзйкй яблеййя, прйчйн 5и-габильногб поведеййя системы, иденти'фйкацйя гидродинамиче-еой природы; эффектов и; в частности, их отличие от койфор- '' ацйонных превращений, качественно интерпретируется стремле-зе к нулю величины АР при Т-^Т ' как результат крйтй'чес-

>го уменьшения параметра порядка;," сделаны, также оценки семенных .характеристик,, согласующиеся: с экспериментом.

, : 1¥" П0с^ящей,а ориентационным .нелинейным эффектам

связанным с: ними временным неустойчивостям в жйдкокристал-*ческйх системах с распределённой обратной связью.

' §4 .1 посвящен экспёриментальномуй теоретическому ис-зедованию пространственных и временных нёустойчивостей при *аимодействия излучения с радиально-ориентированным в опти-=>ском капилляре жидким кристаллом. Ори такой ориентации НЖК центре капилляра образуется дисклинация. В скрещенных по-зх наблюдается 8-типа коноскопическая картина; в образова-1И которой существенную роль играют волноводные свойства алилляра;

В эксперименте.использовались капилляры цилиндрической ормы; внутренний диаметр,;которых составлял 200*300 мкм; оп-шальная для: рассматриваемых эффектов длина образца состав-Ца^^З С.

шой стороны, при большей, длине капилляра сильно© рассеяние

-И -

ишь посредством предположения о неадиабатичности взаимо-ействйя пйл^^ереды. Исходя и&этого/в результат© примем* ения прбце&^^'вйрьирой*анй'я свободной энергий с учётом спе- : ификй данной'Кйнфйгур&ции, в прйблйасении слабого возмущения риентадии директора йналйтичёсйй получено Описанйе стадиог-арноро распределений директора в направлении; вдоль оси ка -иллйра з Я'В>р«д«ально14: направлении Какги предполагаюсь, распределение вдоль г йосит характёр неадиабатической , ешёткй показателя преломления.

В §>4, 2 описаны результаты экспериментального исследова-ия сильных нелинейно-оптических эффектов самовоздействия зета в;многокомпонентных ЖФПКд Исследована также дйнамика • ндуцированйЯ'еветовы'М излучением " замороженных". структур эиентадйонногб распределения в-НЖК.

В эксперимент© использовалась оптимизированная длящаб-¡одения нелийеййб-Оптических Эффектов. четырёхкомлонентщЫ !ФПК, являющаяся при н орм а л ьны х условиях однофазной жийко-рисТаллическрй сред6й.^ Компоненты системы включали в себй зфункциойальный олигомер. лолифункдиональный мономер, ини-иатор^ ачтак^©; НЖК БЦБ.- химически инертную.и оптически " низотропную Компонвнту с высоким относительно мономера и . ¡¡игомера коэффидиентом^преломления в ¡видимой, области спезк;-. за. ИСйользовалйсь образды с толщиной слоя-.ЖФТЖ

Н&веДёяцое/еветомСА:Г; -лазер) распределение, директора ЖК в обрайЦ1а<;соо14&ётствующе;е^топологий светового пРДя, иксярова-лоо&-;ВФ времен« однородной лолимёрязац^гей 'всего' зоя ЖФПК излучением ультрафиолетовой лампы. " Замороженные" акям образом структуры сохранялись практически . \ ^ограниченное время,. '

С- увеличением интенсивности I число колец аберрационной артины в проходящем излучений, определяемое нелинейным абегом фазы,из-за-переориентации НЖК, увеличивалось й ЖГИГ^ЯО^ЗЯвИ^ЯМЯГ^Яр)»; «Вт/ойг гЛ&ртеяйкюск: • *лаксируЯ,-коЛьц©в;ёя.©трук-тура к кояцу-фотоиолимёризации

пучка после прекращения

эоцёееа полимеризации. ■

ойчивостей на основ© рассмотрения самодйфракдяи излучения а светоиндудированной решётке показателя преломления. .

6. Экспериментально продемонстрирована возможность " за -ораживания" ориентадионных структур, наведённых в резуль-ате самодифракдии света в: системах на ЖФПК. Исследована ди-, амика волнового взаимодействия в ЖФПК в продессе .фотополи-еризадии как когёрёй^ным; так й'яёкогёрентным излучением, а акже неустойчивость'полимёризованных етр^тур при плавном зменении feMnepiaTypbi обрёёда. •'■•■'

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ'ДИССЕРТАЦИИ Алавердяй Дрнояй

нестабильности в эксперименте прй самовоздействии светового излучения-в пробтранствённо-неоднородныХ й: периодических нелинейя^зх" срёдай. -^'Тезисы'докладов ХЗЗ 13 междунарёдйой конференции по'КйНО.' Мийск, 1Ô88, ^ •

c.iS0-i5i. .

Arakelian S.M., Chilingarïan Yu.S., Alaverdian R.B., Grigorian G.L., Karaian A.S„ Hersissian S.Ts., Brnoian V.E. Light-induced modulated structurës.intrinsic optical ttiultistabmty and instabilities for the competitive wave interaction in liqtiid crystals. - ir

Journal de Physique, 1989, »¿f.50, p.i33S-i415. :

Arâkèiian'S.ïi; Ghilih'garian : Yü.S., Alaiverdiah R.B.,; Karaian -Ä.S,; Drncttah V.E..' Light-induced modulated structures. Intrinsic optica] multistability and instabilities f or the eompetitivewave interactions in iiquid crystals. - Rostocker Physikalische Manuskripte, 19B9, v.13, p.i5-24ï ' 4;" 5 ' '

Arâfcëliàn S,M, Chilingàrikn" YtiiS:,Àlavërdiân R.B., . Alodjants A.P.. Drhoién V.E., Karâiàh'A.SrLas'er-indufcëd phase transi tiöh in liquid crystMs and dïsfcribùtèd f eedback fluctuations, energy exchange-arid instabilities, '

SPIÉ; i99i,••v.i402,'|xl,7îë^ï&i'V. * '*' Дрйбан В.а, Караян A.C;, ^^хадйн'&М^'Чилйнга^я'ХХС.' " Конкуреядияволн и временные неустойчивости на пороге

Âi^, Sfdstyan.vfcy.;- ArakeHan S. H The threshold wave instabilities in time antf . space forJa.serT-jndyce^ *

excitation of Say]esgh-Benar d convaction m a hematic liquid crystal by a single-mode laser beam' theory and exp^r'mmh - V International Topical Meeting on Optics of Liquid Crystals (Hungary). Book of Abstracts. 1393, p.75-?&